激光散斑血流成像快速處理算法及微型化系統(tǒng)研究.pdf

1、激光散斑血流成像(LSI, Laser Speckle Imaging)是一種非侵入的、無需掃描的全場光學高分辨成像技術(shù)，能夠用于術(shù)中血流實時監(jiān)測，皮膚疾病治療效果評估，視網(wǎng)膜血流監(jiān)測等。實時快速的激光散斑血流成像系統(tǒng)具有重大意義，但是激光散斑血流成像數(shù)據(jù)處理計算量過高，因此，實時快速的激光散斑血流成像系統(tǒng)的實現(xiàn)面臨很大挑戰(zhàn)。本文的主要目的是在數(shù)據(jù)處理算法上進行優(yōu)化、采用并行計算、研制專用硬件處理器等方法，實現(xiàn)激光散斑血流成像數(shù)據(jù)快速處

2、理分析；基于激光散斑血流成像專用硬件處理器，研制出一種激光散斑血流成像的SoC(System on Chip)系統(tǒng)；并進一步在SoC系統(tǒng)基礎(chǔ)上，實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)無線傳輸功能，研制出一種微型激光散斑血流成像系統(tǒng)。本文的內(nèi)容包括：
　?。?）對運行在CPU上的激光散斑血流成像數(shù)據(jù)處理算法進行優(yōu)化，提出了更加快速的數(shù)據(jù)處理算法，該算法不僅在速度上提高約14％，而且在內(nèi)存需求上，也遠遠小于已有的優(yōu)化算法。此外，采用多核計算技術(shù)，進一步地提升激

3、光散斑血流成像數(shù)據(jù)處理算法的性能。
　?。?）采用具備高性能通用計算能力的GPU（Graphics Processing Unit）加速激光散斑血流成像數(shù)據(jù)的分析處理。提出了一種優(yōu)化的基于GPU的激光散斑血流成像數(shù)據(jù)處理算法。相對于已有的算法，新算法的計算量由原來的O(n2)降到了現(xiàn)在的O(2n)。當用于數(shù)據(jù)分析的空間窗口的尺寸取5到17時，可以獲得約1到4倍的速度提升。另外，本文還提出了一種使用多GPU加速激光散斑圖像數(shù)據(jù)處理的

4、方法。
　?。?）提出了一種適合硬件實現(xiàn)的實時激光散斑血流成像數(shù)據(jù)處理算法。該算法可以通過FPGA上的電路單元來實現(xiàn)?；谠撍惴?，我們采用流水線技術(shù)和對稱并行構(gòu)架，設(shè)計出了一種用于激光散斑血流成像數(shù)據(jù)處理的專用硬件處理器。當該專用硬件處理工作在130MHz時，每秒可以處理約85幀640×480尺寸大小的原始散斑圖像。進一步，基于該專用硬件處理器，提出了一種用于激光散斑血流成像的SoC(System on Chip)方案,該SoC設(shè)

5、計把CCD相機控制器，內(nèi)存控制器，激光散斑成像專用硬件處理器，LCD顯示控制器等電路單元集成到了一個FPGA芯片中。稍加修改，該SoC方案有望進一步用于制造一種激光散斑血流成像系統(tǒng)的集圖像采集，分析處理和結(jié)果顯示于一體的專用集成電路（ASIC，Application Specific Integrated Circuit）。
　?。?）基于前述SoC，把系統(tǒng)中的圖像采集和傳輸部分分離出來，圖像數(shù)據(jù)采用無線傳輸，設(shè)計出了一種微型激光